7. Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję spalin
7.1. Badania drogowe pojazdów lekkich
Badania w rzeczywistych warunkach ruchu przeprowadzono w celu weryfikacji wpływu sposobu jazdy na emisję szkodliwych składników spalin oraz zużycie paliwa przez pojazdy. Celem przeprowadzonych badań była odpowiedź na pytanie: w jaki sposób należy prowadzić pojazd silnikowy aby minimalizować emisję spalin do atmosfery?
Badania pojazdów lekkich: samochody osobowe PC1‒PC5 oraz samochody dostawcze LDV1‒LDV4, prowadzono na dwóch trasach pomiarowych, zlokalizowanych na terenie Poznania. Przebieg pierwszej (krótszej) trasy badawczej zaprezentowano na rysunku 5.20. Jej sumaryczna długość wynosiła około 11 km.
Charakterystyka trasy (tab. 7.1) była dość zróżnicowana pod względem warunków ruchu. Trasa składała się bowiem z odcinków o ruchu typowo miejskim, jak również pozamiejskim, gdy istniała możliwość uzyskania większej prędkości jazdy (70 km/h).
Obraną trasę badawczą nr 1 ze względu na zmienność parametrów ruchu podzielono na cztery części (odcinki pomiarowe):
‒ ruch miejski o dużym natężeniu – duży udział postoju pojazdu (2,5 km – 24 % trasy przejazdu),
‒ ruch pozamiejski – droga szybkiego ruchu, prędkość dopuszczalna 70 km/h (1 km – 10 % trasy przejazdu),
‒ ruch miejski o małym natężeniu (około 2 km – 17 % trasy przejazdu),
‒ ruch mieszany – część odcinka to droga szybkiego ruchu o prędkości dopuszczalnej wynoszącej 70 km/h (około 5 km – 49 % trasy przejazdu).
Tabela 7.1. Charakterystyka trasy badawczej nr 1 Odcinek Początek Koniec Długość [km]
Przebieg drugiej, dłuższej trasy badawczej zaprezentowano na rysunku 5.21. Jej sumaryczna długość wynosiła około 15 km (tab. 7.2). Charakterystyka tej trasy była również znacznie zróżnicowana pod względem warunków ruchu. Podobnie jak pierwsza, składała się z odcinków o ruchu miejskim i pozamiejskim, jednak istniała na niej możliwość uzyskania prędkości jazdy wynoszącej o 10 km/h więcej. Należy w tym
miejscu zaznaczyć, iż badania w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów rozpoczynano, gdy jednostki napędowe samochodów badawczych osiągnęły właściwą temperaturę pracy.
Trasę badawczą nr 2 ze względu na wspominaną zmienność parametrów ruchu podzielono na pięć części (odcinków pomiarowych):
‒ ruch miejski o dużym natężeniu – duży udział postoju pojazdu (około 4,5 km – 30 % trasy przejazdu),
‒ ruch miejski o małym natężeniu (2,5 km – 16 % trasy przejazdu),
‒ ruch pozamiejski – droga szybkiego ruchu, prędkość dopuszczalna 70 km/h (1 km – 6 % trasy przejazdu),
‒ ruch mieszany – część odcinka to droga szybkiego ruchu, prędkość dopuszczalna 80 km/h (około 4 km – 26 % trasy przejazdu),
‒ ruch mieszany – część odcinka to drogi wewnętrzne (około 3 km – 22 % trasy przejazdu).
Tabela 7.2. Charakterystyka trasy badawczej nr 2 Odcinek Początek Koniec Długość [km]
Zanim przystąpiono do zasadniczych badań mających na celu określenie wpływu stylu jazdy kierowcy na emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazd, przeprowadzono badania wstępne, rozpoznawcze. Wykonano po kilka przejazdów trasą badawczą nr 1, stosując tylko styl jazdy przyjęty jako jazda normalna i jazda agresywna. Za obiekt badań posłużył samochód osobowy wyposażony w napęd alternatywny w postaci układu hybrydowego – PC5.
W celu określenia warunków jazdy w każdym z analizowanych przejazdów – styl normalny i agresywny – badanym samochodem z napędem hybrydowym, między innymi na podstawie danych pochodzących z systemu diagnostyki pokładowej pojazdu OBD, dokonano zestawienia kilku podstawowych parametrów ruchu. Przedmiotowego porównania warunków jazdy dokonano zarówno dla poszczególnych odcinków pomiarowych (rys. 7.1), jak i całej trasy przejazdu (rys. 7.2). Z powodu badań przeprowadzanych w warunkach rzeczywistych, wartości parametrów ruchu dla obu rodzajów przejazdów nieznacznie się różnią.
a) b)
c) d)
Rys. 7.1. Udział warunków ruchu dla odcinka (trasa 1): a) 1A–2, b) 2–3, c) 3–4, d) 4–1B
Rys. 7.2. Udział warunków ruchu dla całej trasy przejazdu (trasa 1) – pojazd PC5
Bazując na zmierzonej zawartości poszczególnych gazowych związków szkodliwych w spalinach obliczono emisję drogową tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu dla wszystkich odcinków pomiarowych (rys. 7.3 i 7.4). Przejazdy poszczególnych odcinków pomiarowych w zakresie zmienności stylu jazdy kierowcy cechują się różną emisją składników szkodliwych spalin w postaci CO, CO2, HC i NOx. Należy wskazać na znaczny wzrost emisji tych czterech gazowych związków chemicznych przy jeździe agresywnej, mimo zastosowanego układu oczyszczania spalin w badanym pojeździe (trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC).
a) b)
Rys. 7.3. Emisja drogowa tlenku węgla (a) i dwutlenku węgla (b) przez pojazd PC5 (trasa 1)
a) b)
Rys. 7.4. Emisja drogowa węglowodorów (a) i tlenków azotu (b) przez pojazd PC5 (trasa 1)
W wyniku przeprowadzonych badań odnotowano dla odcinka pierwszego (1A–2) znaczący wzrost emisji drogowej tlenku węgla – z 0,40 do 0,54 g/km (rys. 7.3a) oraz tlenków azotu (z 0,70 do 0,88 g/km; rys. 7.4b). Na tym tle wzrost emisji drogowej dwutlenku węgla i węglowodorów o około 15 % nie jest wartością zbyt wysoką (rys.
7.5 i 7.6).
Jazda drogą szybkiego ruchu – odcinek 2–3 cechujący się najmniejszym udziałem postoju pojazdu oraz największą średnią prędkością przejazdu – przy zmianie sposobu jazdy nie powoduje znacznego wzrostu emisji drogowej tlenków azotu. Zmiana stylu jazdy na agresywny powoduje jedynie 8-procentową zmianę emisji tych związków (rys.
7.6b). Jeśli chodzi o pozostałe trzy związki chemiczne (CO, CO2 i HC) to zaobserwowano bardzo dużą zmianę w wartości emisji drogowej tego pierwszego (aż o ok. 160 %) oraz znaczną zmianę emisji dwóch pozostałych – o 20 % (rys. 7.5 i 7.6). Tak duże różnice wynikają jednak z wykonanego w trakcie przejazdu agresywnego dynamicznego manewru wyprzedzania innego pojazdu.
Trzeci odcinek trasy badawczej nr 1 – dojazdowy do typowej jazdy miejskiej o dużym natężeniu ruchu – cechował się porównywalnymi, jak w przypadku odcinka 2–3 procentowymi różnicami w emisji drogowej CO2 i NOx (odpowiednio 17 oraz 9
%). Dla rozpatrywanego odcinka 3–4 nadal względna emisja drogowa tlenku węgla (dla przejazdu agresywnego w porównaniu z normalnym) jest duża i wynosi ponad 50 %.
Jeszcze większy wzrost emisji wystąpił dla węglowodorów – około 90 %.
a) b)
Rys. 7.5. Wzrost emisji drogowej tlenku węgla (a) i dwutlenku węgla (b) w wyniku zastosowania jazdy agresywnej – pojazd PC5
a) b)
Rys. 7.6. Wzrost emisji drogowej węglowodorów (a) i tlenków azotu (b) w wyniku zastosowania jazdy agresywnej – pojazd PC5
Czwarty odcinek trasy badawczej nr 1 (4–1B) charakteryzował się typową jazdą miejską o dużym natężeniu ruchu, występowaniem zjawiska kongestii drogowej i tym samym dużym procentowym udziałem postoju pojazdu (rys. 7.1d). Stąd dla tego odcinka pomiarowego odnotowano najmniejsze wartości średniej prędkości jazdy.
Częste zatrzymania pojazdu i ruszania z miejsca spowodowały duży wzrost emisji drogowej tlenku węgla i węglowodorów wobec wartości uzyskanych dla pozostałych dwóch analizowanych składników spalin. Wynika to m.in. z obniżania się temperatury pracy reaktora katalitycznego (działanie systemu start-stop) i tym samym zmniejszania stopnia konwersji CO i HC. System wyłączający jednostkę napędową pojazdu PC5 w trakcie postoju sprawdził się jednak w kwestii emisji drogowej dwutlenku węgla i tlenków azotu z badanego samochodu. Zarówno podczas przejazdu normalnego, jak i agresywnego działanie systemu start-stop pozwoliło na uzyskanie małej emisji drogowej CO2 i NOx (rys. 7.3 i 7.4). Odnotowano przy tym dla tych substancji szkodliwych przy jeździe agresywnej emisję większą odpowiednio o około 10 i 20 %.
Analiza przejazdu całej trasy badawczej nr 1 przez pojazd PC5 wskazuje na znaczny wzrost emisji drogowej tlenków azotu podczas jazdy agresywnej w stosunku do jazdy normalnej – z 0,64 do 0,78 g/km, co stanowi wzrost o nieco ponad 20 %.
Emisja drogowa dwutlenku węgla wzrasta w podanych warunkach w najmniejszym stopniu (niecałe 20 %). Największe zmiany, a więc największy wpływ stylu jazdy
kierowcy odnotowano dla pomiarów emisji drogowej węglowodorów. W ich przypadku podczas jazdy agresywnej zanotowano wzrost w stosunku do jazdy normalnej o 44 %.
Z wykonanych pomiarów wynika, że styl jazdy kierowcy znacznie wpływa na wartości emisji drogowej:
– wyraźne zmiany emisji odnotowuje się podczas zmiany stylu jazdy w warunkach jazdy z większymi prędkościami – małym natężeniem ruchu. Przykładowo emisja drogowa tlenku węgla wzrasta o około 50 % a dwutlenku węgla o 20 %,
– podczas przejazdów w warunkach ruchu miejskiego odnotowano maksymalne – bądź zbliżone do maksymalnych – wartości emisji drogowej wszystkich czterech analizowanych składników szkodliwych spalin (przy przejeździe standardowym, jak również podczas jazdy agresywnej),
– analiza całej trasy badawczej wskazuje na największy wzrost emisji drogowej węglowodorów (prawie 45 %) oraz na porównywalny przyrost emisji drogowej dwutlenku węgla i tlenków azotu – na poziomie około 20 %.
Wykonane badania drogowe samochodu osobowego z napędem hybrydowym w rzeczywistych warunkach jego ruchu (eksploatacji) uwidoczniły znaczący wpływ stosowanego przez kierowcę stylu jazdy, zarówno na emisję kilku głównych substancji szkodliwych spalin, jak również na przebiegowe zużycie paliwa przez badany pojazd (rys. 7.7).
Rys. 7.7. Wzrost zużycia paliwa przez pojazd PC5 w wyniku zastosowania jazdy agresywnej
Po wstępnym rozpoznaniu mogących się pojawić zależności w wartościach emisji spalin przy zastosowaniu różnego sposobu prowadzenia pojazdu przez kierowcę, przeprowadzono badania zasadnicze, mające na celu określenie wpływu stylu jazdy kierowcy na emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazd. Tym razem uczyniono to ze szczególnym zwróceniem uwagi na stosowanie w trakcie jazdy zasad eco-drivingu.
Aby określić warunki jazdy w każdym z trzech analizowanych przejazdów – eco-driving, jazda normalna i agresywna – badanym samochodem dostawczym (LDV1), podobnie jak w przypadku pojazdu PC5, dokonano zestawienia kilku podstawowych parametrów ruchu: przyspieszenie pojazdu (rys. 7.9), jazda ze stałą prędkością, postój. Porównanie warunków jazdy dla całej trasy badawczej przedstawiono na rys. 7.8. O nieznacznych różnicach w warunkach jazdy, w związku
z charakterem badań drogowych, świadczy zwłaszcza czas przejazdu danego odcinka pomiarowego.
W celu porównania warunków pracy jednostki napędowej badanego pojazdu w trakcie przejazdów, w których stosowano odmienny sposób sterowania układem napędowym, wyznaczono charakterystyki gęstości czasowej silnika (rys. 7.10). Silnik samochodu badawczego w przeważającej części pracował na biegu jałowym (prędkość obrotowa około 800 obr/min). Widoczne obciążenie silnika na poziomie 20 % zarejestrowane przez system OBD odzwierciedla mechaniczne opory własne silnika, które musi on pokonywać (wewnętrzne i zewnętrzne). W przypadku eco-drivingu i jazdy agresywnej bieg jałowy stanowi ok. 25 % całkowitego czasu pracy jednostki napędowej, natomiast w przypadku jazdy normalnej udział ten jest większy o prawie 10 %. Wynika to z dłuższego czasu postoju pojazdu oraz stosowania jazdy wybiegiem (rys. 7.8).
Rys. 7.8. Udział warunków ruchu dla całej trasy przejazdu (odcinek 1A–1B) – pojazd LDV1
Rys. 7.9. Zmiany chwilowego przyspieszenia pojazdu LDV1 w czasie (odcinek 1A–1B)
a) b)
c)
Rys. 7.10. Porównanie charakterystyk pracy silnika spalinowego (LDV1):
a) eco-driving, b) jazda normalna, c) jazda agresywna
Bazując na zmierzonym stężeniu szkodliwych składników w spalinach obliczono natężenie emisji dla wszystkich czterech odcinków pomiarowych. Przykładowe przebiegi natężenia emisji wybranych związków szkodliwych dla jednego z odcinków pomiarowych przedstawiono na rysunkach 7.11 i 7.12. Na podstawie otrzymanego w wyniku obliczeń natężenia emisji, obliczono w dalszej kolejności emisję drogową analizowanych związków gazowych dla każdego odcinka pomiarowego oraz całej trasy badawczej (rys. 7.13).
a) b)
Rys. 7.11. Natężenie emisji na odcinku 4–1B: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla
Rys. 7.12. Natężenie emisji dwutlenku węgla na odcinku 4–1B (kolor: różowy – eco-driving, żółty – j. normalna, czerwony – j. agresywna)
a) b)
c) d)
Rys. 7.13. Wartości emisji drogowej dla poszczególnych odcinków pomiarowych (LDV1):
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
W wyniku przeprowadzonych badań odnotowano dla stylu jazdy określanego mianem eco-drivingu najmniejszą, a dla stylu jazdy agresywnej największą emisję drogową wszystkich substancji szkodliwych emitowanych z układu wylotowego pojazdu badawczego LDV1. Na widoczne większe bądź mniejsze różnice w poziomie emisji składników spalin, określonym dla poszczególnych odcinków pomiarowych, mogą w pewnym stopniu mieć wpływ nieco inne warunki panujące na drodze w trakcie
wykonywania jazd testowych. Przykładowo jest to większe zjawisko kongestii drogowej, a tym samym większy udział postoju pojazdu.
W przypadku emisji drogowej tlenku węgla dla całej trasy badawczej odnotowano w kolejności około: 0,84, 0,93 i 1,1 g/km. Daje to różnice procentowe względem jazdy normalnej na poziomie –9,9 % dla eco-drivingu oraz +17,7 % dla jazdy agresywnej (rys. 7.14a). Różnice procentowe w emisji drogowej dwutlenku węgla natomiast wynoszą odpowiednio: –6,9 i +24,6 % (rys. 7.14b). Najmniejsze różnice w emisji drogowej odnotowano dla węglowodorów. Natomiast w przypadku tlenków azotu należy zwrócić szczególną uwagę na ponad 40-procentowy wzrost ich emisji w wyniku zastosowania przez kierowcę agresywnego stylu jazdy – cała trasa przejazdu (rys.
7.14d).
a) b)
c) d)
Rys. 7.14. Procentowe różnice w emisji w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (jazda normalna = 100 %): a) tlenek węgla, b) dwutlenek węgla, c) węglowodory, d) tlenki azotu
Oprócz określenia wpływu zastosowanego sposobu jazdy na emisję substancji szkodliwych w spalinach badanego pojazdu użytkowego określono również wpływ tego sposobu na ilość zużywanego przez pojazd paliwa. Wartość przebiegowego zużycia paliwa dla całej pokonanej trasy, na tle średniego przyspieszenia, zobrazowano na rysunku 7.15. Różnice względem jazdy normalnej wynoszą około: –0,44 i +1,64 dm3/100 km. Daje to zmniejszenie zużycia paliwa o 6,6 % (eco-driving) oraz zwiększenie o 24,6 % (jazda agresywna; rys. 7.16).
Rys. 7.15. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla całej trasy przejazdu (LDV1)
Rys. 7.16. Procentowe różnice w przebiegowym zużyciu paliwa w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (jazda normalna = 100 %)
Wyniki pomiarów toksyczności spalin, koniecznych do przeprowadzenia analizy wpływu stylu jazdy kierowcy na emisję substancji szkodliwych i przebiegowe zużycie paliwa, dla kolejnych z obiektów badań (samochody: PC1, PC2 oraz LDV2, LDV3 i LDV4) przedstawiono na rysunkach 7.17–7.25.
Dokonując analizy różnic w obliczonych wartościach emisji drogowej poszczególnych szkodliwych składników spalin dla pojazdów PC2 i LDV2 (rys. 7.19–
7.23), należy w szczególności uzasadnić obserwowane – dla jazdy agresywnej pojazdem LDV2 – bardzo duże różnice w emisji dwutlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu na odcinku 3–4. Wynikają one nie tylko z trudniejszych warunków ruchu niż dla pozostałych dwóch przejazdów, ale także z utrzymywania dużej prędkości obrotowej silnika w trakcie jazdy – niski bieg (dodatkowo jest to odcinek o znacznym dodatnim nachyleniu terenu – podjazd).
Rys. 7.17. Natężenie emisji tlenku węgla – trasa badawcza nr 1, pojazd PC1 (kolor: zielony – eco-driving, czerwony – jazda agresywna)
Rys. 7.18. Natężenie emisji dwutlenku węgla – trasa badawcza nr 2, pojazd LDV4 (kolor: zielony – eco-driving, czerwony – jazda agresywna)
a) b)
Rys. 7.19. Emisja drogowa tlenku węgla określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2
a) b)
Rys. 7.20. Emisja drogowa dwutlenku węgla określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2
a) b)
Rys. 7.21. Emisja drogowa węglowodorów określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2
a) b)
Rys. 7.22. Emisja drogowa tlenków azotu określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2
Rys. 7.23. Emisja drogowa cząstek stałych określona dla pojazdu LDV2
a) b)
c)
Rys. 7.24. Rozkład wymiarowy cząstek stałych określony dla pojazdu LDV2:
a) eco-driving, b) jazda normalna, c) jazda agresywna
a) b)
Rys. 7.25. Rozkład wymiarowy cząstek stałych określony dla pojazdu LDV3 (a) i LDV4 (b)
Procentowe różnice w obliczonych wartościach emisji drogowej poszczególnych szkodliwych składników spalin przez badane pojazdy z grupy PC i LDV zaprezentowano na rysunkach 7.26–7.30. Przy zastosowaniu przez kierowcę stylu jazdy agresywnej w większości przypadków uzyskuje się zwiększenie emisji drogowej substancji toksycznych (CO, HC, NOx, PM) o 10‒20 %. Natomiast stosowanie zasad eco-drivingu skutkuje zmniejszoną emisją tych substancji, maksymalnie do 10 %.
a) b)
Rys. 7.26. Procentowe różnice w emisji drogowej CO w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV
a) b)
Rys. 7.27. Procentowe różnice w emisji drogowej CO2 w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV
a) b)
Rys. 7.28. Procentowe różnice w emisji drogowej HC w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV
a) b)
Rys. 7.29. Procentowe różnice w emisji drogowej NOx w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV
Rys. 7.30. Procentowe różnice w emisji drogowej PM w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej) – pojazdy typu LDV
Wartości przebiegowego zużycia paliwa, jakie zostały odnotowane po pokonaniu trasy badawczej, przedstawiono na rysunku 7.31. W przypadku pojazdów PC2 i LDV2 różnice względem jazdy normalnej wynoszą odpowiednio: –0,25 i –0,20 dm3/100 km (eco-driving) oraz +0,67 i +0,45 dm3/100 km (jazda agresywna). Uzyskano tym samym zmniejszenie przebiegowego zużycia paliwa o około 4,6 i 2,6 % oraz zwiększenie o 12,2 i 6,1 % (rys. 7.32).
a) b)
Rys. 7.31. Przebiegowe zużycie paliwa przez pojazd: a) PC2, b) LDV2
a) b)
Rys. 7.32. Procentowe różnice w przebiegowym zużyciu paliwa w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV
Wykonane badania drogowe pojazdów typu PC i LDV w rzeczywistych warunkach ich eksploatacji miały charakter badań rozpoznawczych z istotnym aspektem możliwości aplikacyjnych ich wyników. Uwidoczniły one znaczący wpływ stosowanego przez kierowcę stylu jazdy na emisję substancji szkodliwych w spalinach oraz przebiegowe zużycie paliwa. Należy wskazać na znaczny wzrost wartości emisji drogowej tych związków w wyniku zastosowania jazdy agresywnej oraz zauważalny spadek wartości emisji przy zastosowaniu ekologicznego i ekonomicznego stylu jazdy – eco-drivingu. Na drogach dość często można zaobserwować stosowanie przez kierowców dynamicznego, a nawet bardzo agresywnego sposobu poruszania się pojazdem. Mając na uwadze wnioski wyciągnięte z przeprowadzonych badań warto podkreślić, że może to nie tylko wpływać negatywnie na ekonomię eksploatacji pojazdów silnikowych, ale również na środowisko naturalne oraz bezpieczeństwo jazdy. Stwierdzenie to dotyczy wszystkich rodzajów pojazdów, wyposażonych zarówno w napęd konwencjonalny, jak również napęd alternatywny. Warto więc racjonalnie podchodzić do kwestii sposobu eksploatacji – styl jazdy – wszelkich pojazdów samochodowych. Słuszne zatem wydaje się być istnienie różnego rodzaju szkół doskonalenia techniki jazdy, w tym szkół jazdy ekologicznej i ekonomicznej (eco-drivingu).